CryptoAPI编程

这里介绍一些CryptoAPI的知识,也是让自己对CryptoAPI做一个系统的总结(针对证书操作这块)。

(1) 微软加密服务体系

微软加密服务体系CryptoAPI的结构如下图所示,微软加密服务体系包含三层结构和两个接口,分别为应用程序层、操作系统层(OS)、加密服务提供者层(Cryptographic Service Provider,CSP),CryptoAPI接口和加密服务提供者接口(Cryptographic Service Provider Interface,CSPF),

 

 

 

 

 

(2)CryptoAPI体系结构

CryptoAPI体系架构共由五大主要部分组成:基本加密函数、证书编/解码函数、证书库管理函数、简单消息函数、底层消息函数。体系结构如下图所系:

  • 基本加密函数:用于选择CSP、建立CSP连接、产生密钥、交换及传输密钥等操作。
  • 证书编/解码函数:用于数据加密、解密、哈希等操作。这类函数支持数据的加密/解密操作;计算哈希、创建和校验数字签名操作;实现证书、证书撤销列表、证书请求和证书扩展等编码和解码操作。
  • 证书库管理函数:用于数字证书及证书库管理等操作。这组函数用于管理证书、证书撤销列表和证书信任列表的使用、存储、获取等。
  • 简单消息函数:用于消息处理,比如消息编码/解码、消息加/解密、数字签名及签名验证等操作。它是把多个底层消息函数包装在一起以完成某个特定任务,方便用户的使用。
  • 底层消息函数:底层消息函数对传输的PKCS#7数据进行编码,对接受到的PKCS#7数据进行解码,并且对接收到的消息进行解码和验证。它可以实现简单消息函数可以实现的所有功能,且提供更大的灵活性,但一般会需要更多的函数调用。

(3)CryptoAPI基本功能

利用CryptoAPI,开发者可以给基于Windows的应用程序添加安全服务,包括:ASN.1编码/解码、数据加密/解密、身份认证、数字证书管理,同时支持PKI、对称密码技术等。

  • 密钥管理

在CryptoAPI中,支持两种类型的密钥:会话密钥、公/私密钥对。会话密钥也成为对称密钥,用于对称加密算法。为了保证密钥的安全性,在CryptoAPI中,这些密钥都保存在CSP内部,用户可以通过CryptExpoetKey以加密密钥快形式导出。公/私钥对用于非对称加密算法。非对称加密算法主要用于加解密会话密钥和数字签名。在CryptoAPI中,一般来说,大多数CSP产生的密钥容器包含两对密钥对,一对用于加密会话密钥,称为交换密钥对,一对用于产生数字签名,称为签名密钥对。在CryptoAPI中,所有的密钥都存储在CSP中,CSP负责密钥的创建,销毁,导入导出等操作。

  • 数据编码/解码

CryptoAPI采用的编码方式为ASN.1,编码规则为DER,表示发送方发送数据时先把数据抽象为ASN.1对象,然后使用DER编码规则把ASN.1对象转化为可传输的0、1串;接受方接受到数据后,利用DER解码规则把0、1串转化为ASN.1对象,然后把ASN.1对象转化为具体应用支持的数据对象。

  • 数据加/解密

在CryptoAPI中约定加密较大的数据块时,采用对称加密算法。通过其封装好的加解密函数来实现数据解加密操作。

  • 哈希与数字签名

哈希与数字签名一般用于数据的完整性验证和身份鉴别。CryptoAPI中,通过其封装好的哈希与数字签名函数来实现相关操作。微软公司提供的CSP产生的数字签名遵循RSA标准(PKCS#6).

  • 数字证书管理

数字证书主要用于安全通信中的身份鉴别。CryptoAPI中,对数字证书的使用管理函数分为证书与证书库函数、证书验证函数两大部分。

在VC++中开发CryptoAPI应用程序,需要预先设置一些编译环境。

1.需要包含以下头文件:

#include <windows.h>

#include <wincrypt.h>

2.包含的静态链接库:

链接CryptoAPI函数必须有静态库Crypto32.lib的支持,部分CryptoAPI函数可能还需要静态库advapi32.lib及CryptUI.lib的支持。

3.假如在VC++6.0上编译程序,则还需加上以下语句:

#ifndef _WIN32_WINNT

#define _WIN32_WINNT 0x0400

#endif

在不同的版本的windows操作系统下,可能需要定义不同的常量,具体查看wincrypt.h头文件,根据wincrypt.h上不同的预编译语句在自己的应用程序中进行不同定义。(我在VS 2008环境中编译程序,不在需要自定义这部分)。在vs2008的wincrypt.h头文件已经没有这些相关的定义。)

注:部分的CryptoAPI函数在VC++6.0上并没有定义,如CertGetNameString函数为CryptoAPI的证书管理函数,但是在VC++6.0下编译时会报错,查看相应的wincryp.h文件时会发现里面没有声明该函数。但在VC++7.0以上的版本中则定义了这个函数。解决方法是可以将VC++7.0上的wincrypt.h、crypt32.lib、advapi32.lib三个文件覆盖vc+6.0的相应文件。

以下介绍几个编写CryptoAPI应用程序常用到得函数。

1.BOOLEAN CRYPTFUNC CryptAcquireContext(
HCRYPTPROV* phProv,   CSP句柄
LPCTSTR pszContainer,   密钥容器名称,指向密钥容器的字符串指针
LPCTSTR pszProvider,    指向CSP名称的字符串指针,如果为NULL,则使用默认的CSP
DWORD dwProvType, CSP类型
DWORD dwFlags 标志
);

这个函数是为了获得CSP句柄,函数通过phProv参数返回获得的CSP句柄。在CryptoAPI加密服务相关的所有操作都在CSP实现,CSP真正实行加密相关服务的独立模块,当应用程序需要加密相关服务时,比如:加解密操作、密钥产生于管理等,必须先获取某个CSP句柄。这时一般CryptoAPI编程的第一步。

2.BOOL CRYPTFUNC CryptGenKey(
HCRYPTPROV hProv,   //CSP句柄
ALG_ID Algid, //算法标志ID值。创建会话密钥时,它指定具体的加解密算法。指定算法时应注意具体的  

                         // CSP是否支持此算法。创建公/私密钥对时,参数应为AT_KEYEXCHANGE(交换密钥对)

                         //或AT_SIGNATURE(签名密钥对)。
DWORD dwFlags,    //说明创建密钥的长度及其它属性。
HCRYPTKEY* phKey   //新创建密钥句柄,函数通过这个参数返回创建密钥句柄。
);

在CryptoAPI中,构造密钥一般有两种方法,一通过哈希值,而通过随机数构造。上面这种就是通过随机数创建的。下面介绍利用哈希值创建的函数。

BOOL CRYPTFUNC CryptDeriveKey(
HCRYPTPROV hProv,
ALG_ID Algid,     //要产生密钥的对称加密算法
HCRYPTHASH hBaseData,    //哈希句柄,函数根据这个哈希句柄创建密钥。
DWORD dwFlags,    //指定密钥的类型。
HCRYPTKEY* phKey   //密钥句柄,函数通过这个参数返回创建的密钥句柄。
);

这个函数通过输入的哈希值hBaseData来创建一个密钥,通过密钥句柄phKey参数返回。注意:这个函数只能创建会话密钥,不能用于创建公/私密钥对。

3.BOOL CRYPTFUNC CryptCreateHash(
HCRYPTPROV hProv, //CSP句柄
ALG_ID Algid,   //哈希算法标识符
HCRYPTKEY hKey, // 如果哈希算法是密钥哈希,如HMACH或者MAC算法,就用此密钥句柄传递密钥。

                                   //对于非密钥算法,此参数为NULL。
DWORD dwFlags,   //保留,必须为0
HCRYPTHASH* phHash //哈希句柄,函数通过这个参数返回创建的哈希对象句柄。
);

这个函数初始化一个哈希句柄,它创建并返回一个CSP哈希句柄。

4.BOOL WINAPI CryptHashData(
HCRYPTHASH hHash,    //哈希句柄,创建的哈希值通过这个句柄返回
BYTE* pbData,    //指向要加入到哈希句柄的数据指针
DWORD dwDataLen,   // 数据长度
DWORD dwFlags   //标志
);

这个函数是计算一段数据的哈希值并加入到指定的哈希句柄中。在使用这个函数前必须通过CrpytHashData函数创建了一个哈希句柄。

5.BOOL WINAPI CryptEncodeObject(
__in          DWORD dwCertEncodingType,    //使用的编码类型。通常为 X509_ASN_ENCODING |

                                                                               //PKCS_7_ASN_ENCODING
__in          LPCSTR lpszStructType,            //要编码的结构体类型
__in          const void* pvStructInfo,   //欲编码的结构体指针,要和lpszStructType类型一致
__out         BYTE* pbEncoded,    //编码后结构体指针,当设置为NULL时用于获取其长度
__in_out      DWORD* pcbEncoded   //编码后的结构体长度
);

这个函数用于将pvStructInfo所指向的数据按照lpszStructType结构体类型编码。

6.BOOL WINAPI CryptDecodeObject(
__in          DWORD dwCertEncodingType,
__in          LPCSTR lpszStructType,
__in          const BYTE* pbEncoded,
__in          DWORD cbEncoded,
__in          DWORD dwFlags,
__out         void* pvStructInfo,
__in_out      DWORD* pcbStructInfo
);
这个函数是对上面编码后的数据进行解码,参数和上面编码函数的参数差不多,具体可以查看MSDN帮助文档。

1.CERT_RDN_ATTR 结构体

typedef struct _CERT_RDN_ATTR {
LPSTR pszObjId;
DWORD dwValueType;
CERT_RDN_VALUE_BLOB Value; } CERT_RDN_ATTR,
*PCERT_RDN_ATTR;
pszObjId:对象标识符,用于标识证书属性,具体可以查看MSDN中的解析,也可以查看wincrypt.h文件查看相应的定义。譬如szOID_STATE_OR_PROVINCE_NAME,表示省名。
dwValueType:对成员Value的解析,取值查看MSDN,当主要是初始化证书属性时,Value的值主要是一些字符串时,该值可以为CERT_RDN_PRINTABLE_STRING,表示可以打印的字符串。
Value:一个结构体,在这里初始化证书属性。
typedef struct _CRYPTOAPI_BLOB {
DWORD cbData;
BYTE* pbData; } ,其中cbData表示大小,pbData指向一个内存空间。
 
2.CERT_RDN 结构体:The CERT_RDN structure contains a 
     
      relative distinguished name
      (RDN) consisting of an array of CERT_RDN_ATTR structures.
typedef struct _CERT_RDN {
DWORD cRDNAttr;
PCERT_RDN_ATTR rgRDNAttr; } CERT_RDN,
*PCERT_RDN;
参数:cRDNAttr:rgRDNAttr数组元素的个数;rgRDNAttr:指向CERT_RDN_ATTR结构元素的数组地址。
3.CERT_NAME_INFO 结构体:The CERT_NAME_INFO structure contains subject or issuer names.The information is represented as an array of CERT_RDN structures.
typedef struct _CERT_NAME_INFO {
DWORD cRDN;
PCERT_RDN rgRDN; } CERT_NAME_INFO,
*PCERT_NAME_INFO;
参数:同上差不多。
4.CERT_REQUEST_INFO 证书请求结构体:这个结构体包含证书请求的主体,主体公钥,属性块等信息,这些信息都是经过编码的。
typedef struct _CERT_REQUEST_INFO {
DWORD dwVersion;
CERT_NAME_BLOB Subject;
CERT_PUBLIC_KEY_INFO SubjectPublicKeyInfo;
DWORD cAttribute;
PCRYPT_ATTRIBUTE rgAttribute; } CERT_REQUEST_INFO,
*PCERT_REQUEST_INFO;
 
参数:dwVersion:证书版本号,可以为CERT_V1等,根据属性扩展情况,符合不同版本证书;Subject:证书主题;SubjectPublicKeyInfo:证书主题中的公钥信息;cAttribute:rgAttribute数组元素个数,可以为0;rgAttribute:属性参数数组,可以为NULL;
以上信息都是要经过编码后的信息来填充的。
5.CryptSignAndEncodeCertificate函数,用来创建自签名证书
BOOL WINAPI CryptSignAndEncodeCertificate(
  __in          HCRYPTPROV_OR_NCRYPT_KEY_HANDLE hCryptProvOrNCryptKey,
  __in          DWORD dwKeySpec,
  __in          DWORD dwCertEncodingType,
  __in          LPCSTR lpszStructType,
  __in          const void* pvStructInfo,
  __in          PCRYPT_ALGORITHM_IDENTIFIER pSignatureAlgorithm,
  __in          const void* pvHashAuxInfo,
  __out         PBYTE pbEncoded,
  __in_out      DWORD* pcbEncoded
);
参数:1,CSP句柄;2,指明公钥是来自签名公钥还是交换公钥,可以为AT_KEYEXCHANGE或者AT_SIGNATURE之一;3,指明编码类型,可以为X509_ASN_ENCODING;4,结构体类型,和第5个参数配合起来使用,可以为X509_CERT_CRL_TO_BE_SIGNED或者X509_CERT_REQUEST_TO_BE_SIGNED或者X509_CERT_TO_BE_SIGNED或者X509_KEYGEN_REQUEST_TO_BE_SIGNED,意思可以查看MSDN。
6,签名算法结构体,指明签名算法,算法标识可以为szOID_RSA_MD5RSA 或者szOID_RSA_SHA1RSA 或者szOID_X957_SHA1DSA ;7,可以不用,设为NULL;8,签名后数据的长度,当设为NULL时,可以用来求数据的长度;9,用于存放数据的内存空间。

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